8.7: 激光

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述产生激光所需的物理过程
解释相干光和非相干光之间的区别
描述激光在 CD 和蓝光播放器中的应用

激光是发出相干和单色光的设备。如果构成光的光子是同相的，则光是相干的；如果光子具有单频率（颜色），则光是单色的。当激光器中的气体吸收辐射时，电子会被提升到不同的能量水平。大多数电子会立即恢复到基态，但其他电子则停留在所谓的亚稳态中。有可能将这些原子中的大多数置于亚稳态状态，这种情况称为种群反转。

激光中光的放大示意图。两个能量等级以虚线显示，一个在三个不同的时间高于另一个能级。电子处于较高的状态，即亚稳态，并过渡到较低的状态。能量为 h f 的光波到达，导致电子降至较低状态。两个相同的同相光子 h f 被更多处于亚稳态的电子发射和吸收。这些电子降至较低状态，发出四张相同的能量 h f 相位照片，然后被第三组电子吸收。电子过渡到较低状态并发射八个相同的能量光子 h f 的相位光子。 — 图\(\PageIndex{1}\)：激光的物理特性。频率为 f 的入射光子会产生相同频率的光子级联。

当能量光子干扰处于亚稳态的电子时（图\(\PageIndex{1}\)），电子会降至较低的能量水平并发射一个加法光子，两个光子一起离开。这个过程称为受激发射。当入射光子的能量等于电子的激发和 “去激发” 能级之间的能量差时，发生这种情况的可能性相对较高（\(\Delta E = hf\)）。因此，入射光子和去激发产生的光子具有相同的能量，hf。这些光子在亚稳态下会遇到更多的电子，并且这个过程会重复。结果是类似的去激反应的级联或连锁反应。激光是相干的，因为激光光中的所有光波都具有相同的频率（颜色）和相位（沿垂直于运动方向的直线的任意两个点位于波浪的 “同一部分”）。图中给出了相干和非相干光波模式的示意图\(\PageIndex{2}\)。

相干光波图案和非相干光波图案的插图。相干光由具有相同波长、相位和振幅的波组成，因此所有波峰都对齐，所有波谷都对齐。非相干光由不同波长、相位和振幅的波组成，导致不同波浪的波峰和波谷重叠。 — 图\(\PageIndex{2}\)：相干光波图案包含相同频率和相位的光波。非相干光波模式包含不同频率和相位的光波。

激光用于各种应用，例如通信（光纤电话线）、娱乐（激光灯光秀）、医学（切除视网膜中的肿瘤和烧灼血管）和零售（条形码阅读器）。激光也可以由多种材料制成，包括固体（例如红宝石晶体）、气体（氦气混合物）和液体（有机染料）。最近，甚至使用明胶制造了激光器，这是一种可食用的激光！下面我们将详细讨论两个实际应用：CD 播放器和蓝光播放器。

CD 播放器

CD 播放器读取存储在光盘 (CD) 上的数字信息。 CD 是直径为 6 英寸的塑料光盘，其表面附近有小 “凹陷” 和 “凹坑”，用于对数字或二进制数据进行编码（图\(\PageIndex{3}\)）。颠簸和凹陷出现在一条非常细的轨道上，该轨道从圆盘中心向外螺旋。轨道的宽度小于人类头发宽度的1/20，而且颠簸的高度甚至更小。

光盘细节的示意图。激光束从下方以直角击中光盘。光盘由三层组成。下层是聚碳酸酯塑料层，凹坑和凸点交替出现。在塑料层的顶部沉积了一层薄薄的铝。一层漆覆盖光盘，填充凸点和凹坑，形成光滑的上表面。整个光盘，包括所有三层，厚度为 1.2 m m。 — 图\(\PageIndex{3}\)：光盘是一种塑料光盘，它使用表面附近的凸块对数字信息进行编码。光盘的表面包含多层，包括一层铝和一层聚碳酸酯塑料。

C D 播放器使用激光读取这些数字信息。激光适合这种用途，因为相干的光可以聚焦到一个非常小的光点上，从而区分光盘中的凹凸和凹坑。经过播放器组件（包括衍射光栅、偏振器和准直器）处理后，激光由透镜聚焦到 CD 表面。撞击颠簸（“陆地”）的光线只会被反射，但击中 “坑” 的光线会造成破坏性干扰，因此没有光线返回（这个过程的细节对本次讨论并不重要）。反射光被解释为 “1”，未反射的光被解释为 “0”。由此产生的数字信号被转换为模拟信号，然后将模拟信号馈送到放大器中，该放大器为诸如耳机之类的设备供电。 CD 播放器的激光系统如图所示\(\PageIndex{4}\)。

一张 CD 播放器内部运作的照片 — 图\(\PageIndex{4}\)：CD 播放器及其激光组件。

蓝光播放器

与 CD 播放器一样，蓝光播放器读取存储在光盘上的数字信息（视频或音频），然后使用激光来记录这些信息。与光盘相比，蓝光光盘上的凹坑要小得多，拼凑得更紧密，因此可以存储的信息要多得多。因此，激光器的分辨率必须更大。这是使用短波长 (\(λ=405\,nm\)) 蓝色激光实现的，因此被命名为 “Blu-” Ray。（CD 和 DVD 使用红色激光。） CD、DVD 和 Blu-ray 播放器的不同坑大小和播放器硬件配置如图所示\(\PageIndex{5}\)。蓝光光盘的凹坑大小是 DVD 或 CD 上凹坑大小的两倍多。与光盘不同，蓝光光盘将数据存储在聚碳酸酯层上，这使数据更靠近镜头，避免了可读性问题。硬质涂层用于保护数据，因为它离表面太近了。

图中说明了 CD、DVD 和 Blu-ray 播放器的不同坑大小和播放器硬件配置。在每种情况下，凹坑都小于激光束在存储介质表面产生的光斑的大小。左侧显示了具有 0.7 GB 存储容量的 CD 播放器。 CD 激光器的波长为 lambda，等于 780 纳米，对应于红色。它由镜头聚焦，穿透 CD 材料到 1.2 m m 的深度，在 CD 表面形成一个相对较大的光斑。中间显示了具有 4.7 GB 存储容量的 DVD 播放器。 DVD 激光器的波长为 lambda，等于 650 纳米，对应于红橙色。它由镜头聚焦，穿透DVD材料到0.6 m m的深度，在DVD表面形成比我们在CD上看到的要小的斑点。右侧显示了存储容量为 25 GB 的蓝光播放器。蓝光激光的波长为 lambda，等于 405 纳米，对应于蓝色。它由镜头聚焦，穿透蓝光盘材料至0.1 m m的深度，并在光盘表面形成一个小斑点。 — 图\(\PageIndex{5}\)：CD、DVD 和蓝光播放器中激光分辨率的比较。